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 除了《時候簡史》，關於霍金你還應當知道這些！ |
| 心情隨筆｜心情日記 2018/03/17 00:51:14 |
起原：中科院物理所微信公眾號  3月14日，英國馳名物理學家史蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking）在家中逝世，享年76歲。 xyz xyz xyz 提到霍金，你們常常會想起他標誌性的輪椅，和那本暢銷全球的《時候簡史》。但是說起他的本職工作——物理學家，除了專業人士，生怕許多人都不清晰他在科學上究竟做出了如何的進獻。 記得霍金曾在他的書中說到過，由於他身體的缺點，他沒有太多的精力去進修某一現實學科的具體知識，是以他盡可能避免從事的具體、複雜的現實問題的研究，而是一直在做宇宙學和黑洞、量子引力等方面的抽象的理論研究。 那麼霍金事實有哪些主要的科研功效？對物理學的成長起到了怎樣的感化？且聽小編娓娓道來。 xyz xyz xyz奇性定理  1922年，弗里德曼（Friedmann）提出的宇宙學模型認為宇宙發源於一個奇點，稱為大爆炸奇點（big bang singularity），這一點宇宙的密度將是無限大，也被稱為宇宙的原初奇特性。 1931年，天文學家錢德拉塞卡（Chandrasekhar）在推出白矮星的質量極限之後意想到大質量恆星的晚年命運有待進一步料到，但另外一位天文學家愛丁頓（Eddington）卻決然否定黑洞（包孕時空奇點）存在。 1933年，奧本海默（Oppenheimer）等人把錢德拉塞卡的工作推行到中子星，指出質量足夠大的球對稱的恆星演化到晚期，由於中子簡併壓沒法抗拒引力縮短，必定會無限縮短乃至於坍縮到密度無限大的一個時空奇點，稍後便給出了本色上是第一個描寫黑洞構成的正確解。 惋惜那時，包括愛因斯坦（Einstein）在內的很多物理學家們都不相信這些時空奇點會真正地存在於我們真實的宇宙中。他們認為：黑洞的奇點是恆星模子理想的球對稱坍縮而至，而宇宙原初的奇點是宇宙模子的平均和各向同性而至，但真實的恆星和宇宙都不可能有像模子中那樣正確的對稱性，是以時空奇點在真實的世界里也不會存在。 然而霍金和彭羅斯（Penrose）在1965—1970年經由過程抽象的推理證實，以獨闢門路的研究表白，即使不需要對稱性的假定，大質量恆星晚期坍縮構成的黑洞和宇宙原初的奇異性在必然前提下都是不行避免的（詳細內容可見Hawking&Penrose（1970） 的論文[5]）。[1] 通俗來說，奇性定理就是說，只要知足引力特彆強、能量前提、因果前提等條件，黑洞是可以存在於我們的真實世界的，宇宙也能夠降生於一個奇點，不再只是純理想的模子。  近些年來大量的天文觀測也發現了很多的黑洞，特別是引力波的成功探測更是直接探測到許多雙黑洞的旌旗燈號（如GW150914），都無疑支撐了黑洞的存在；同時也有許多天文的觀測證據（好比宇宙微波配景輻射、宇宙元素丰度的預言等）支撐了大爆炸宇宙模型的預言。大爆炸宇宙模子今朝照舊我們宇宙學的標準模子。 如果沒有奇性定理，這些模子永久只能是抱負模型，沒法與實際接軌。  黑洞熱力學 1972年霍金與Bardeen及Carter合作寫了一篇關於黑洞力學（black hole mechanics）的論文，他們指出一個黑洞的力學性質可以用兩個物理量來描寫：黑洞視界的面積和視界皮相的引力（surface gravity），這兩個量別離類似於熱力學中的熵和溫度，是以也能夠界說黑洞的熵和溫度。基於這種雷同性，他們給出了響應於熱力學四大定律的黑洞力學的四大定律[1]，此中包羅霍金在1971年發表的黑洞界限面積不減定理（也被稱為霍金定理，也是黑洞力學的第二定律），個中黑洞的鴻溝就是黑洞的事件視界（event horizon）（簡稱視界）。 由於黑洞的引力之強，它會不休從外界吸收物資到它的視界面內，而視界面裏面的物資卻沒法逃走（霍金輻射破例，後續會介紹），是以黑洞就像一條只進不出的「貪吃蛇」，跟著時候的演變，它的質量會越來越大，響應的視界面的面積也會愈來愈大而涓滴不減。 舉個例子，好比對於最簡單的球對稱的史瓦西（Schwarzschild）黑洞，它的視界面就是一個球面，面積正比於史瓦西半徑的平方，也就正比於黑洞質量的平方。是以黑洞的質量只增不減，它的視界面積也是只增不減。這必然理與熱力學的第二定律——熵增道理長短常雷同的！再舉個例子，好比兩個小的黑洞可以合併成一個大的黑洞，而大的黑洞的視界面積會比之前的兩個小黑洞的視界面積之和還大，反之，一個大的黑洞不會自動地釀成兩個小的黑洞。 需要申明的是，這是經典的黑洞熱力學，只用到廣義相對論，臨時不需要用到量子理論。 引力波探測也一樣探測到很多例如許的雙黑洞併合事宜，它們是合適理論較量爭論預期的。  霍金輻射 眾所周知，廣義相對論以曲折的時空代替了引力的存在。在廣義相對論問世以後，人們成長出以曲折時空為配景的「曲折時空量子場論」。 1973年霍金在曲折時空量子場論的研究中發現本來「黑洞不黑」！本來經典的理論上「愛財如命」的黑洞在黑洞量子力學中也能夠通過必然的機制發射黑體輻射，這就是霍金輻射！ 他指出，黑洞視界附近的引力場如同一個勢壘，根據量子隧穿效應，黑洞內部的粒子是有必然的概率穿出這個勢壘，構成粒子的發射。當視界附近的引力場足夠強的時辰，量子場論中的真空極化效應可以從真空中由能量轉化為物質，產生一對正反粒子。 霍金計較表明，這一對正反粒子終究的命運極可能是反粒子落入黑洞而正粒子跑出來，真空漲落總的了局是黑洞不息向外發射正粒子，這些粒子能量來自於黑洞的質量減小。固然質量的減小也會致使黑洞視界面積的減小，這就違反黑洞界限的面積不減定理，但從整體來看，這些輻射出去的粒子也攜帶有熵，將賠償黑洞熵的減小，沒有違反熵增道理。[2]  個中霍金輻射的等效黑體溫度正好是之前在黑洞熱力學中界說的黑洞的溫度，照樣以最簡單的史瓦西黑洞為例，它的溫度反比於它的質量。是以質量越小的黑洞，溫度越高，輻射也越強。是以小質量的黑洞，正本質量就小，霍金輻射又強，它們很快就會蒸發掉了。一個1015克（相當於一座山的質量）的黑洞被蒸發掉所需的時候與宇宙的年齡相仿。 霍金輻射至今還還沒有被明白地觀測到。筆者認為，由於常見的大於3倍太陽質量（一個太陽質量約為2×1033克）的黑洞質量很大，霍金輻射很弱（它的光度反比於質量的平方），與經典的黑洞熱力學相差不大，是以難以被探測到，而具有細小質量的黑洞固然輻射強，卻又很輕易被蒸發掉，存在的時候短，這多是霍金輻射難以被觀測到的緣由吧。 原初黑洞 由於工作的需要，筆者還曾讀過霍金關於原初黑洞的論文，對此對照熟悉，也感受霍金的設法對我們也長短常有啟發性的。 霍金在1971年[3]和1974年與他的學生Carr的文章[4]中指出：現今星系的存在（而且就連星系都具有成團的構造）暗示著宇宙的初期也不會是絕對的平均的，宇宙大標准上是均勻和各向同性的，由於宇宙初期原初的量子漲落產生了極小的不均勻性（這一不平均性已經獲得了宇宙微波背景輻射的檢討），同時由於引力的吸引，密度大的地方集聚集更多的物質，而密度稀少的地方會變得更稀少，而且這一不平均性會跟著宇宙的膨脹而不竭被放大，有些區域可能變得足夠緻密得以致於不再是坍縮構成星系、星系團等等如許發光的恆星系統，而是直接經由過程引力的吸引而坍縮形成黑洞。這些黑洞不需要經由過程大質量恆星演變到晚期而構成，也被稱為原初黑洞。由於霍金蒸發（或霍金輻射），霍金預言只有質量在1015方克以上的原初黑洞才能從宇宙初期保存到今天。 儘管我們還沒有明白地證實哪一個是原初黑洞，但我們其實不能破除它存在的可能性。它多是我們探測到的雙黑洞類的引力波源的一種起源，也還多是我們至今「不知廬山真臉孔」的神秘的「暗物資」的構成部門之一。  另外，霍金還作出了良多理論工作，好比給出對撞的黑洞的引力輻射的能量上限（1971）、提出無界限的宇宙模子（1983）、評論辯論黑洞里的信息丟失（2005）等等[7]，限於篇幅，就紛歧一贅述了。 科學特別是根蒂根基科學的研究曆來不是一揮而就的，並不要急於尋求功利、適用的或者所謂是「正確」的器械，真實的學科發展紀律就應當是層層遞進的，每一個人在前人的根蒂根基上再往前邁一步，哪怕這一步多是錯誤的，但假如連毛病的一步都沒有邁出，後人也很難知道哪裡是錯的。 受限於人類目前認知程度和手藝的局限性，我們沒必要太早糾結理論是不是必然是對的。相信將來，跟著人類認知的拓展和手藝的提高，總有一無邪相會內情畢露的。正如引力波的探測，在未被真正探測到之前，很多人都不相信引力波真的存在，或即便存在也不成能真的被探測到，但後來他們切實其實做到了，流言也就不攻自破了。 假如沒有牛頓力學作鋪墊，我們也一樣難以進入相對論的時期。牛頓力學的局限性並不可否認牛頓的偉大。而霍金的偉大的地方，在於他以超人的毅力和樂觀的精力，始終起勁工作在物理、天文的理論最前沿，不休地把新的想法、新的思考注入到根本科學中，給根本學科帶來新的活力。這也許就是在常識財富之外，霍金留給我們最珍貴的精力財富。 附錄：什麼是黑洞？ 黑洞，通俗地來說就是中間是密度無窮大的時空奇點、引力十分壯大的天體，引力壯大到以至於只要落入它的視界面內的物體就連光都逃不出它的引力束厄局促。我們知道，光速是一切活動物體的極限速度，連光都逃不出的話，其他物體更不可能逃離黑洞。因為光逃不出黑洞的俘獲，所以經典的黑洞理論認為黑洞是沒有電磁輻射的，當然霍金輻射是觸及到量子效應的。 史瓦西黑洞是最簡單的球對稱的黑洞（不帶電、不扭轉的），它的事件視界半徑（史瓦西半徑）是r=2GM/c2，M是黑洞的質量，G是萬有引力常數，c是光速，它的視界面就是一個以黑洞的奇點為中間，史瓦西半徑為半徑的球面。 參考文獻： [1] 梁燦彬，周彬。 微分幾何入門與廣義相對論（上、中、下冊）[M]。北京：科學出書社。2009 [2] 向守平。天體物理概論[M]。合肥：中國科學手藝大學出書社。2008 [3] Hawking S W。 GRAVITATIONALLY COLLAPSED OBJECTS OF VERY LOW MASS。[J]。 Monthly Notices of the Royal Astronomical Society， 1971， 152（1）： 75-78。 [4] Carr B J， Hawking S W。 Black Holes in the Early Universe[J]。 Monthly Notices of the Royal Astronomical Society， 1974， 168（2）： 399-415。 [5] Hawking S W， Penrose R。 The singularities of gravitational collapse and cosmology[J]。 Proceedings of The Royal Society of London， 1970， 314（1519）： 529-548。 [6] Cosmic microwave background - Wikipedia https：//en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_microwave_background [7] Stephen Hawking - Wikipedia https：//en.wikipedia.org/wiki/Stephen_Hawking [8] Big Bang - Wikipedia https：//en.wikipedia.org/wiki/Big_Bang [9] Hawking radiation - Wikipedia https：//en.wikipedia.org/wiki/Hawking_radiation  本文引用自: http://news.sina.com.tw/article/20180315/26138954.html |
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